スーパーチャージャー
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スーパーチャージャー（英: supercharger）は、過給器の方式のひとつ。本来は排気タービン式（ターボチャージャー）を含めた過給器全般を指す用語であったが、現在では専らクランクシャフトからの動力によって駆動する過給器を指す。俗にスーチャーと略される。
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[編集] 基本的な構成と特徴
スーパーチャージャーは、エンジンの出力軸からベルト等を介して取り出した動力によって圧縮機（コンプレッサー）を駆動し、空気を圧縮してエンジンに供給する。エンジンからの排気を利用する排気タービン式の過給器（ターボチャージャー）と比較すると、「スロットル（アクセル）開度に対する反応が優れる」、「低回転域の過給効果が高い」などのメリットがある。ターボチャージャーのように高出力維持のために低速ギアーで高速回転を強いられないのでオートマチックトランスミッション車に好都合な過給システムでもある。
一方、エンジンからの動力で圧縮機を駆動しているためエンジンの効率が落ちる[1]（動力断続機構を持たないタイプのスーパーチャージャーはアイドリング状態でも常に過給圧がかかるので燃費はかなり悪化する）、高回転域の出力がターボチャージャーに比べ劣るなどのデメリットがある。また、部品点数や機械加工の増加はコスト高につながり、重量と体積の大きさや架装性の悪さでも分が悪い。
一部文献等で「ディーゼルエンジンはスーパーチャージャーとの相性が悪い」とするものがあるが、これは誤りである。正しくはターボチャージャーとの比較した場合のことであって、ガソリンエンジンとの比較ではディーゼルエンジンのほうにより適性がある。
[編集] 方式
圧縮機の種類により、遠心式、ルーツ式、リショルム式などがある。
[編集] 遠心式
遠心式圧縮機を利用、主に航空機用のレシプロエンジンに使用された方式で、自動車用としても使用されることがある。
航空機は空気の濃度が薄くなる高空を飛行するために、過給器を必須としていた。高度によって過給器の回転速度を切り替えることができるものもあり、一段二速と呼ばれる。また、高々度での性能を高めるために複数の過給器を持つものもあり、一段目の過給器で圧縮された空気をさらに二段目で圧縮する方式は二段過給と呼ぶ。一段目と二段目の間で圧縮され、高温高圧になった空気を中間冷却器（インタークーラー）で冷却するエンジン（例・英国ロールス・ロイス マーリン）や、スーパーチャージャーとターボチャージャーを組み合わせたエンジンも存在した[2]。
[編集] ルーツ式
a→b→cの順に圧力が高くなる
元々は産業用の送風機として開発された方式で、「ルーツブロア」とも呼ばれる。1860年にルーツ兄弟が溶鉱炉の送風機として特許を取得した。その後、1900年にゴットリープ・ダイムラーが特許を取ったエンジンの過給器として使われた。
ふたつのローターがかみ合い、吸気を吐出することによって過給する。旧来のものは断面が繭型の二葉式であり、加工が簡単なためにこれが多用された。現在は主にねじれた三葉式のものが用いられる。二葉式と三葉式では吸気、吐出部位が異なる。イートン社では四葉のものも開発している。内部圧縮はなく高圧過給には向いていないが、かつては二段過給もレース用エンジンには使用された[3]。
この方式が機械式スーパーチャージャーによく使われるのは、過給器に取られるロスを少なく抑えやすいためである。ファンを用いた方式とは異なり、空気の吸入側と吐出側が常に完全に仕切られる構造のため、停止状態でも吐出側の高圧空気が吸入側に漏れない[4]。この構造だと回転数と吐出容積が全回転域でほぼ比例し、エンジンの必要吸気容量に一致させることが容易でムダが生じない。 この点、排気流はどのみち捨てるエネルギーのため、ムダに回しても問題にならないターボチャージャーとは発想が異なる。逆にターボチャージャーは、排気ガスが十分出るまで過給器が動作しないため、タービンインペラ、コンプレッサインペラと呼ばれるファンを回す構造にして、停止している状態でも空気が自由に流れるようにしてある。 方式ごとに最適な補器を選択した結果と言える。
- ルーツ式スーパーチャージャーとターボチャージャーを組み合せた方式。低回転域ではスーパーチャージャーが、高回転域ではターボチャージャーが過給を担当する。
採用例は少ないが、ランチア・デルタS4と日産・マーチRでは、ラリーでのレスポンスを重視して開発され、フォルクスワーゲン・ゴルフGT TSIおよびフォルクスワーゲン・ジェッタTSIコンフォートラインでは、燃費性能とハイパフォーマンスの両立を目指して採用された。
[編集] リショルム式
詳細は「リショルム・コンプレッサ」を参照
ルーツ式と同じ様にふたつのローターを持つが、ルーツ式とは異なり内部圧縮があり、高圧過給でも効率が落ちない[5]。産業用にも広く用いられる方式。
[編集] スクロール式
周辺から中心に圧縮
メカニズム的には家庭用エアコンの室外機に使用されている物とほぼ同等である。ドイツの自動車メーカー・フォルクスワーゲンが「Gラーダ」の商標で、ポロ G40、コラード G60、パサート G60に装備していた。
[編集] 動向
[編集] 日本車のスーパーチャージャー
過去において日本の自動車税の税率は車体サイズとエンジン本体の排気量により決定され、ターボチャージャー・スーパーチャージャー等の過給器は課税に影響しなかったことから、いわゆる5ナンバーボディに2000CCエンジン+過給器というスペック競争上の各メーカーの販売政策としての「節税ツール」として利用されることが多かった。
日本においては、自動車用エンジンの過給器としては、ターボチャージャーと比較すると採用例が少ない。その要因は、性能や特性云々の前に、コストパフォーマンスが悪い(比較的安価なルーツ式ですら、最大出力がほぼ同じターボチャージャーに対して原価も製造費も高い)ことや、多くの日本車のエンジンは小排気量、小トルクのものが多いため、特に高回転域で出力に対するメカニカルロスの割合が大きく、最高出力のスペック値に直結する高回転域で効率的に不利だったことがあげられる。スーパーチャージャーが優れている低域トルクの太さや、ターボチャージャーの弱点であるターボラグなどをスペック値として数字で示すことが困難だったため、カタログ上でもスーパーチャージャーは不利であった。
ただし日本のスーパーチャージャーの製造技術が劣っているわけでは決してなく、海外のハイパフォーマンスカーや、プレジャーボート用エンジンにはIHIや小倉クラッチ製のスーパーチャージャーは、数多くの採用例がある。
しかし日本の内燃機関技術、ターボチャージャー技術が進歩することにより以下に記載のデメリットがある程度解消されていることがスーパーチャージャーの採用実績を増加させない一因となっている。
| 問題点 | 解決策 |
|---|---|
| 排気によってタービンが回りコンプレッサーが有効圧力を獲得するまでの、いわゆる「ターボ・ラグ」の存在と、過給器に対応するための圧縮比引き下げを理由として生じる低回転域でのトルク不足。 | ターボラグ、低回転域でのトルク不足の両方について、シーケンシャル・ツインターボ方式のように、小形タービンの併用によって大きく改善され、エンジン低回転域からの過給が可能となった。しかし軽自動車などシングルタービンのターボでは、タービン小形化によりターボラグ削減と引き替えに実最高出力が大幅に下がってしまっている。そのため、あえてターボラグに目をつぶっている車種もある。小形タービンを使ってなおターボラグがゼロにはほど遠いため、ターボ技術単体での改良をあきらめ、ツインチャージャー（低回転域をスーパーチャージャーを追加して補う方式）、低回転域をモーターを追加して補う方式などが考案され実用化されている。 |
| タービン通過時の排気温度低下に伴う触媒における排ガス浄化効率の悪化。 | 日本の自動車メーカーは当初、出力低下を嫌って後処理装置である触媒に頼らない方法を開発した為、後になって補助的に採用したに過ぎない。 (また、日本の高過給ターボは逆に燃焼温度が高くなりすぎ、逆に触媒を溶融させてしまうなどの現象が見られた。この欠点は、インタークーラーの普及によって改善されている) |
| 補機類の搭載による重量の増加。 | 小型のターボチャージャーにおいては「ウェスト・ゲートを用いない」など、補機類を簡略・軽量化されている。 |
| 高熱に長時間さらされる可動部品に対する信頼性・耐久性への懸念、および潤滑油管理の厳密化。 | タービン軸受を水冷とすることにより、エンジンオイルへの熱的負担は非常に低下している。 また、市販される自動車用エンジンオイルも品質が向上し、長期間にわたって高い能力を維持することが可能になっている。 |
以下に日本の各自動車メーカーの取り組みを紹介する。
[編集] 日産ディーゼル工業
米国ゼネラルモーターズ (GM) が1938年に実用化に成功した、ユニフロー スカベンジング ディーゼルエンジンのライセンスを、戦後の民生デイゼル時代に取得、1955年から「UDエンジン」の名前で生産をはじめた。2ストローク機関特有の「掃気行程」のために二葉式ルーツブロアーを利用しており、その「音」は同社製品の特徴でもあった。
UDエンジンは同社が戦前から得意とする直噴エンジンであり、かつ日本初の量産スーパーチャージドエンジンであった。エンジンはモジュラー設計で、直列3、4、5気筒とV型8、12気筒をラインナップしていた。その後、2サイクルエンジンの廃止に伴い、スーパーチャージャーの採用は無くなり、一般的なターボチャージャーへと移行している。
[編集] トヨタ自動車
トヨタはルーツ式スーパーチャージャーに執心した時期があり、MR2、カローラレビン、スプリンタートレノの4A-GE型、クラウン、マークIIの1G-GE型、エスティマの2TZ型の各エンジンに設定があった。 自然吸気エンジンの圧縮比を下げ、補機類のマウント位置、エンジンルーム内の部品配置を変更し、ルーツブロアー式スーパーチャージャーを組み付けたものである。エンジン型式には、4A-GZ、1G-GZ、2TZ-FZのように「Z」が付加される（電子式燃料噴射が前提のため、「E」は省かれている）。
これらは、4A-GEと1G-GEはトルク不足が、エスティマは6気筒エンジンが搭載できないことが指摘されていたが、4A-Gは熱と爆発圧力への耐性、2TZは床下配置によるインテークパイプの取り回しの難やタービン本体による熱害と、それぞれターボ化には踏み切れない理由があった。また、1G-Gのツインターボ版・1G-GTEは、低圧縮比化とツインターボの段付き過給でドライバビリティーの改善が見られなかったことから、低回転域のトルクが要求される車種についてはスーパーチャージャーが選択されることになった。
スーパーチャージャーへの動力伝達は電磁クラッチを介して行われ、車速やスロットル開度、エンジン回転数を検知して、スーパーチャージャーが抵抗になるような条件下では、電磁クラッチを切り、出力損失を抑える制御とされていた。
アイドリング状態では電磁クラッチによりスーパーチャージャー本体への駆動力は伝達されていない。トヨタのスーパーチャージャー車は、スピードセンサーが走行状態を検知してはじめて過給を開始するようになっている。アクセルペダルを踏み込むと、スロットルバタフライに取り付けられたセンサーがスロットル開度を読み込み、電磁クラッチのリレーをONにする。すると、機械的な回転音を伴ったエンジン回転数の上昇と共にトルクが増大する。クランク軸から動力を得るという構造上、高回転を多用するにはあまり向かない。プーリー・ベルトを含む駆動系が抵抗になってしまい、レブリミット寸前で十数馬力のロスと言われる。一般的なルーツブロアー式スーパーチャージャーの最大許容回転数は約9,000rpmである。高回転化改造をされたスーパーチャージャーエンジン搭載車は、ある程度以上の回転数になった場合に電磁クラッチによって動力を切断し、カムのプロファイルを変更して高回転向きにするなど、高度な制御を必要とする。
AW11やAE92については、ターボ車のウエイストゲートに相当するエアバイパスバルブを改造・交換することで、スーパーチャージャーの加給効率を向上させるキットが発売されていた。
[編集] 日産自動車
日産自動車では、スーパーチャージャーとターボチャージャーを組み合わせた、ツインチャージャーエンジンのMA09ERT型がマーチRとマーチスーパーターボに搭載された。これはラリーでの使い勝手の向上のため採られた策で、決められた排気量で絶対的な高出力を得るためには、大容量スーパーチャージャー、または大径タービンの採用が順当であるが、小排気量エンジンでは、それぞれ、駆動損失や、ターボラグなどのジレンマから逃れられない。また、それぞれ小型のものでは、高回転時に過給が追いつかず、絶対的な出力は伸びない。その打開策として、二つの過給器を組み合わせ、低回転域はスーパーチャージャー、高回転域はターボチャージャーに受け持たせるもの。
乗用車以外では、北米生産のピックアップトラックであるフロンティアと、それをベースとした廉価SUVである、エクステラのハイパフォーマンスバージョン用として、V6、3.3Lガソリンエンジンにスーパーチャージャーを追加した、VG33ER型がある。
[編集] 富士重工業
軽自動車用のエンジンは、定格回転数を高めに設定してあるため、中小型車用のエンジンよりもスーパーチャージャーとの相性がよい。1986年、レックスのフルモデルチェンジ（ただし、そのスーパーチャージャー仕様は1988年の登場を待つ）で、それまでのターボに代わって採用された。「吸気管内圧力を利用して開閉する」点や、「過給気バイパスバルブにより走行負荷状態に応じて過給をオン・オフする」点などがトヨタの方式と異なる。電磁クラッチ制御方式よりもアクセル開閉に対するレスポンスがよく、クラッチの騒音も発生しないことなどが特長。1990年の軽自動車規格拡大（660cc旧）の際、SOHCでありながら「高回転域でも他社のターボに劣らなくなった」と評価されている(他社のスポーツ軽は当時、ターボの効率を高める為、既にDOHCであった。その為シリンダー数が少ないにもかかわらずEN07より10～15kgほど重かった)。
その後、ヴィヴィオ、プレオへと受け継がれた。プレオでは低回転域でトルクを補うための低圧過給（マイルドチャージ）を、日本車として初めて本格的に採用した。これと概念を同じくする技術は他社でも開発されたが、いずれもターボチャージャーを用いる方式であった。トヨタのスポーツカーでの採用がなくなったため、現在日本車でスーパーチャージャー車というと富士重工の軽自動車が代名詞的な存在になっている。エンジンの変遷はEK23（2気筒）→EN05（550cc4気筒）→EN07（660cc4気筒）。
なお、2006年11月以前では64PS（軽自動車の出力上限）の出力を有するスーパーチャージャー搭載車がハイオク仕様となるケースが多かった（ただしトヨタのスポーツカー等と異なり、レギュラーを給油しても「性能は落ちるが実用上は問題ない」と打たれている）。しかし、2006年6月に発売開始したステラのスーパーチャージャー搭載グレードはレギュラー仕様でありながら64PSの出力を有する仕様であるほか、R1S、R2 Type Sがマイナーチェンジでレギュラー仕様に変更されたため、現在ではレギュラー仕様が標準となった（無論、以前にもレックス VXのような無鉛レギュラーガソリン仕様で64psを発生させる車種も存在した）。
また、サンバーのスーパーチャージャー搭載グレードは、リアエンジンという構造上、インタークーラーの装着が難しいことから、58PSに設定されている。5ナンバー軽1BOXの「ディアスワゴン スーパー チャージャー」は、他社のインタークーラー付ターボチャージャーを採用する軽ワンボックス自動車の出力が概ね64PSであることから、カタログスペック面で水をあけられている状態となっている（低回転域のトルクという点ではターボチャージャーよりスーパーチャージャーのほうが適しており、キャブバン・ワゴン・トラックの発進・加速時のトルク不足を補うと言う意義においては、適切な選択と言える）。一方、軽トラックの「TC スーパーチャージャー」および「TC ハイルーフ・スーパーチャージャー」は、現行車種では唯一過給器を搭載した軽トラックとなっている。
[編集] ダイハツ工業
軽トラックのハイゼットで採用。1987年に追加グレードとして登場した。660cc化された際に排気量アップと同時に廃止されている。通常エンジンのエアコンコンプレッサーの位置にスーパーチャージャーを搭載した為、エアコンとの両立が出来なかったことも廃止の一因となった。
[編集] スズキ
上記のダイハツ・ハイゼットトラック同様、軽トラックのキャリイで採用。1987年に追加グレードとして登場した。1989年に実施した大規模なマイナーチェンジの際に廃止されている。ハイゼットトラック同様、通常エンジンのエアコンコンプレッサーの位置にスーパーチャージャーを搭載した為、エアコンとの両立が出来なかったことも廃止の一因となった。ちなみにキャリイのスーパーチャージャー仕様のエンジンに限り、1気筒あたり3バルブ方式のSOHCヘッドが採用されていた。その後、キャリイは1995年以降よりごく一部のグレードに限りインタークーラーレスのターボチャージャー搭載（KUターボ）に寝返ったものの、新規格対応のモデルチェンジを経たのち、ターボチャージャー搭載モデルも2001年に実施したマイナーチェンジの際に廃止された。
[編集] 三菱自動車工業
1986年発売のS10系2代目デボネアVの2000cc V6（6G71型エンジン）モデルにて初採用。続いて軽トラックおよび軽ワンボックス自動車のミニキャブで採用。1987年に登場したU14/U15T(548cc、3気筒3G81型）に搭載された。なお、1990年に追加された660ccモデル（U18/U19T、3気筒、3G83型）にはスーパーチャージャー仕様は設定されなかったが、スーパーチャージャー搭載車は548ccのままで併売された（ただし、軽自動車の規格改正に伴い全長が若干延長されている）。しかし、富士重工車ほど一般に認識されることも無く、ミニカとの部品共通化によりターボへと変更され、スーパーチャージャー搭載車は消滅している。
[編集] マツダ
1987年5月に誕生した5代目カペラ及び2代目フォード・テルスターに搭載されたディーゼルエンジンに、プレッシャーウェーブ・スーパーチャージャーが採用された。この方式は機械的に吸気の圧縮を行うスーパーチャージャーとはまったく異なる原理による。その後、1991年11月にカペラの後継車クロノス、1992年4月に3代目フォード・テルスター、1993年11月にアンフィニMS-6、1994年8月にカペラワゴンと順次展開された。この過給器が装着されたRF型 直列4気筒 SOHC 2,000cc エンジンは、60kW/4,000rpm 181Nm/2,000rpmの性能を発揮し、ガソリンエンジン並みのレスポンスを得た。1997年11月のマイナーチェンジで販売終了となった。
1993年10月に誕生したユーノス・800に搭載された、量産車初のミラーサイクルエンジンに、IHI製リショルム・コンプレッサーが採用された。この過給器が装着されたKJ-ZEM型 V型6気筒 DOHC 2,300cc エンジンは、162kW/5,500rpm 294Nm/3,500rpmの性能を発揮し、1,490kgの車重でありながら10-15モード燃費は10.6km/Lを達成した。しかし、当時マツダはディーラー5チャンネル化の失敗による不振の時期であったこともあり、営業的には成功せず、2000年7月のマイナーチェンジで販売終了となった。その後、この系列のコンプレッサーはAMGを含むメルセデス・ベンツエンジンに採用されている。
[編集] 日本国外での動向
アメリカ合衆国では、アフターマーケット用にルーツブロアー、リショルムコンプレッサーが市販されている。ライトトラックにも動力性能向上のために使用される。ヨーロッパではメルセデスベンツがルーツブロアーおよびリショルムコンプレッサーを使用している。直列4気筒にはルーツブロアーが組み合わされ、AMGモデルのV6、V8にはリショルムコンプレッサーが使用される。リショルムコンプレッサーについては大排気量のV8エンジン63エンジンに置き換えられつつある。
[編集] 今後の動向
自動車の環境対応が迫られる中、排ガス規制の関係から、過給器付きエンジン搭載の乗用車がメーカーのラインナップから減っていく中、アフターマーケットでは、パフォーマンスアップに加え、音やエンジンルームの見た目など、感覚に訴える効果が大きいことも含めて、スーパーチャージャー、ターボチャージャーともに、関心は依然として高い。
[編集] 注釈・出典
[編集] 関連項目
- リショルム・コンプレッサ
- プレッシャーウェーブ・スーパーチャージャー
- ツインチャージャー
- トヨタ・MR2（AW11）
- トヨタ・クラウン（S120系/S130系）
- 日産・マーチスーパーターボ（初代）
- 日産・MA09ERT
- 富士重工業
- スバル・サンバー
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